Hoe kortsluiting in lithium-metaalbatterijen kan worden voorkomen

Er zijn hoge verwachtingen van de volgende generatie lithium-metaalbatterijen met hoge energiedichtheid, maar voordat ze in onze voertuigen kunnen worden gebruikt, moeten er cruciale problemen worden opgelost. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Chalmers University of Technology, Zweden, heeft nu concrete richtlijnen ontwikkeld voor hoe de batterijen moeten worden opgeladen en gebruikt, waardoor de efficiëntie wordt gemaximaliseerd en het risico op kortsluiting wordt geminimaliseerd.

Het voordeel lithium-metaalbatterijenvan is dat de energiedichtheid aanzienlijk hoger kan zijn. Dit komt doordat de anode bestaat uit een dunne folie van lithiummetaal in plaats van grafiet, zoals bij lithium-ionbatterijen het geval is. Zonder grafiet is het aandeel actief materiaal in de batterijcel veel hoger, waardoor de energiedichtheid toeneemt en het gewicht afneemt. Door lithiummetaal als anode te gebruiken, is het ook mogelijk om materialen met een hoge capaciteit aan de kathode te gebruiken. Dit kan resulteren in cellen met drie tot vijf keer het huidige niveau van energiedichtheid.

 

Dendrieten vermijden

Het grote probleem is echter de veiligheid. In twee recent gepubliceerde wetenschappelijke artikelen in Advanced Energy Materials en Advanced Science presenteren onderzoekers van Chalmers samen met collega's in Rusland, China en Korea, een methode om het lithiummetaal veilig te gebruiken. Het is het resultaat van het zodanig ontwerpen van de batterij dat het metaal tijdens het opladen niet de scherpe, naaldachtige structuren ontwikkelt die bekend staan ​​als dendrieten, die kortsluiting kunnen veroorzaken en in het ergste geval kunnen zorgen dat de batterij vlam vat.

 

"Kortsluiting in lithium-metaalbatterijen treedt meestal op doordat het metaal ongelijkmatig wordt afgezet tijdens de oplaadcyclus en de vorming van dendrieten op de anode. Deze uitstekende naalden zorgen ervoor dat de anode en de kathode in direct contact met elkaar komen, dus het voorkomen van hun vorming is daarom cruciaal", zegt onderzoeker Shizhao Xiong.

 

Er zijn een aantal verschillende factoren die bepalen hoe het lithium over de anode wordt verdeeld. In het elektrochemische proces dat plaatsvindt tijdens het opladen, wordt de structuur van het lithiummetaal voornamelijk beïnvloed door de stroomdichtheid, temperatuur en concentratie van ionen in de elektrolyt.

De onderzoekers gebruikten simulaties en experimenten om te bepalen hoe op basis van deze parameters de lading geoptimaliseerd kan worden. Het doel is om een ​​dichte, ideale structuur op de lithiummetaalanode te creëren.

 

"Het is een uitdaging om de ionen in de elektrolyt precies goed te laten rangschikken wanneer ze tijdens het opladen lithiumatomen worden. Onze nieuwe kennis over hoe het proces onder verschillende omstandigheden te beheersen, kan bijdragen aan veiligere en efficiëntere lithium-metaalbatterijen", zegt professor Aleksandar Matic.